In een onderzoek van het laboratorium van David Bartel, lid van het Whitehead Institute, hebben onderzoekers genetische sequenties geïdentificeerd die kunnen leiden tot de afbraak van cellulaire regulatoren, microRNA's genaamd, in de fruitvlieg Drosophila melanogaster. De bevindingen werden op 22 september gepubliceerd in Molecular Cell .

"Dit is een opwindende studie die de weg vrijmaakt voor een dieper begrip van de microRNA-degradatieroute", zegt Bartel, die ook hoogleraar biologie is aan het Massachusetts Institute of Technology en onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute. "Door deze 'trigger'-sequenties te vinden, kunnen we de werking van dit pad in het laboratorium nauwkeuriger onderzoeken, wat waarschijnlijk van cruciaal belang is voor vliegen - en mogelijk andere soorten - om te overleven tot volwassenheid."

Om nieuwe eiwitten te produceren, transcriberen cellen hun DNA in boodschapper-RNA's (of mRNA's), die informatie verstrekken die nodig is om de eiwitten te maken. Wanneer een bepaald mRNA zijn doel heeft gediend, wordt het afgebroken. Het afbraakproces wordt vaak geleid door kleine RNA-sequenties die microRNA's worden genoemd.

In eerder werk toonden onderzoekers aan dat bepaalde mRNA- of niet-coderende RNA-transcripten, in plaats van te worden afgebroken door microRNA's, in plaats daarvan de tafels op de microRNA's kunnen omdraaien en tot hun vernietiging kunnen leiden via een pad dat target-directed microRNA-degradatie of TDMD wordt genoemd. "Deze route leidt tot een snelle omzetting van bepaalde microRNA's in de cel", zegt voormalig afgestudeerde Bartel Lab-student Elena Kingston.

Kingston wilde de functies van de TDMD-route in cellen verder begrijpen. "Ik wilde het 'waarom' begrijpen", zei ze. "Waarom worden microRNA's op deze manier gereguleerd en waarom maakt het uit in een organisme?"

Eerder werk aan de TDMD-route werd voornamelijk uitgevoerd in gekweekte cellen. Voor de nieuwe studie besloten de onderzoekers de fruitvlieg Drosophila melanogaster te gebruiken. Een vliegmodel zou meer inzicht kunnen geven in hoe de route werkte in een levend organisme, inclusief of het al dan niet een effect had op de fitheid van het organisme of essentieel was om te overleven.

De onderzoekers creëerden een model om TDMD te bestuderen door vliegen te gebruiken met mutaties in een essentieel TDMD-pathway-gen genaamd Dora (het equivalente menselijke gen heet ZSWIM8, zoals beschreven in dit artikel). Zeer weinig vliegen met mutaties in Dora werden gezien om volwassen te worden. De meeste stierven vroeg in de ontwikkeling, wat suggereert dat de TDMD-route waarschijnlijk belangrijk was voor hun embryonale levensvatbaarheid.

Een vinger op de triggers van het TDMD-pad leggen

Hoewel microRNA's niet veel complementaire basenparen nodig hebben om hun mRNA-doelen te binden en te reguleren, is het tegenovergestelde waar in de TDMD-route. Om goed te kunnen werken, heeft de TDMD-route een zeer specifieke trigger nodig, die ofwel een mRNA kan zijn dat codeert voor eiwitten, ofwel een niet-coderend RNA. "Het unieke aan een trigger is dat het een site heeft waar het microRNA zich aan kan binden en die veel complementariteit heeft met het microRNA," zei Kingston.

Tijdens de isolatie van de vroege COVID-19-pandemie wilde Kingston een programma schrijven dat op basis van hun sequenties mogelijke triggers van microRNA-afbraak in Drosophila zou kunnen uitkiezen. Het programma leverde duizenden hits op en de onderzoekers gingen aan de slag om te bepalen welke sites de beste kandidaten waren om op vliegen te testen.

"Zodra we weer in het lab konden komen [na de afsluiting], nam ik onze top 10 of zo kandidaten en probeerde ze in vliegen te storen," zei ze. "Gelukkig voor mij is ongeveer de helft van hen gaan sporten."

Deze zes nieuwe triggers veroorzaken meer dan het dubbele van de lijst met bekende RNA-sequenties die de afbraak van microRNA's kunnen sturen. Om deze bevinding nog een stap verder te brengen, voerden de onderzoekers een analyse uit van wat er met de vliegen gebeurde toen een trigger werd verstoord.

De onderzoekers ontdekten dat een van de triggers - een lang niet-coderend RNA - een rol speelt bij een goede ontwikkeling van de cuticula, of de waterdichte buitenste schil van een vliegenembryo. "We merkten dat toen we deze trigger verstoorden, de nagelriemen van vliegenembryo's de elasticiteit hadden veranderd," zei Kingston. "Toen we de embryo's uit hun eierschalen haalden, konden we zien dat deze nagelriemen uitzetten en opzwellen."

Vanwege het opgeblazen fenotype besloot Kingston de lange niet-coderende RNA-marge te noemen naar tante Marge, een personage uit de Harry Potter-serie. In "Harry Potter en de Gevangene van Azkaban" brengen de beschimpingen van tante Marge Harry ertoe per ongeluk magie op haar uit te voeren, waardoor ze opblaast en wegdrijft.

In de toekomst hoopt Kingston, die sindsdien is afgestudeerd en een carrière in de biotech-industrie is begonnen, dat onderzoekers de fakkel zullen overnemen om de rol van andere TDMD-triggers te leren kennen. "We hebben nog verschillende andere triggers [uit dit artikel] waar er geen bekende biologische rol voor hen is in de vlieg," zei ze. "Ik denk dat dit het veld opent voor anderen om naar binnen te gaan en de vragen te stellen:'Waar werken deze triggers? Wat doen ze? En wat is het fenotype als je ze kwijtraakt?'" + Verder verkennen

mRNA's kunnen de rollen omdraaien op hun microRNA-regulatoren, studie vondsten